CN102665857B - 执行具有平行通道同时保持其性能的接触器提纯气流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及提纯包含至少第一化合物、至少第二和第三化合物的气流的方法，所述第一化合物选自包括水、氨、芳烃、含有至少5个碳原子的链烷烃、链烯烃或炔烃类烃、醛、酮、卤代烃、硫化氢、氯化氢的第一组化合物，第二和第三化合物选自包括氦气、氢气、氮气、氧气、氩气、一氧化碳、二氧化碳和低于C5的烃的第二组化合物，其中所述方法包括变压吸附(PSA)，其执行至少一个包含至少一个具有平行通道的接触器的主吸附器(17-2)，所述方法的特征在于所述第一化合物在所述主吸附器上游至少部分地停止。

Description

执行具有平行通道同时保持其性能的接触器提纯气流的方法
本发明涉及使用至少一个包含至少一个平行通道接触器的主吸附器通过变压吸附(PSA)提纯包含至少一种第一化合物、至少一种第二化合物和第三化合物的气流的方法，其中第一化合物选自由水、氨、芳族化合物、C5+烃(即包含至少5个碳原子的链烷烃、链烯烃或炔烃类)、醛、酮、卤代烃、硫化氢和氯化氢形成的第一组化合物，第二化合物和第三化合物选自由氦气、氢气、氮气、氧气、氩气、一氧化碳、二氧化碳和C1-C5烃形成的第二组化合物。
吸附为工业上日益用于分离或提纯气流的物理现象。
例如，吸附惯例地用于干燥各种气流，特别是空气或天然气，用于生产氢气，由大气空气生产氧气和/或氮气，在用于下游方法或排出以前俘获各种流出物料流的大量组分如VOC、氮氧化物、汞等。
所用方法为损失装料方法(则一般涉及保护床)或可再生方法。再生通过降低压力或通过提高温度而进行。也可将这两种影响结合在一起。分别提及PSA(变压吸附)、TSA(变温吸附)或PTSA(变压变温吸附)。
当PSA的再生在真空下进行时，通常使用缩写VSA(真空变压吸附)。
随后以及除特别应用外，为简化，取决于用于使吸附剂再生的主要影响是压力还是温度，仅使用术语PSA和TSA描述包含原位再生阶段的所有这些吸附方法。
所用吸附剂一般以填充吸附器的颗粒的形式提供。这些颗粒可以为细粒、条、珠或碎料的形式。这些颗粒的特征尺寸一般为0.5-5mm。
最小的颗粒使得可改善吸附动力和因此的方法效率，但另一方面，它们产生液相中大的压降。
为平衡该影响，使用具有对流体而言大通道横截面的吸附器，例如具有水平轴的圆柱形吸附器或径向吸附器。
然而，当需要进一步进行改善压降和/或动力时，该技术产生不可以工业规模应用的吸附器几何结构。
这例如为当需要在低压下处理高气体流速，例如在大气压力下俘获流出物料流中的CO2时，或当需要进行快速循环，特别是PSA循环时的情况。
在1996年，Ruthven et Thaeron在Gas Sep.Purif.，第10卷，第63页中显示了这种改进可使用平行通道接触器得到。
这是其中流体通过通道的系统，其壁包含吸附剂。
这类接触器的使用使得可加速循环和因此提高生产量。
该节约的一个缺点是增加了吸附剂污染的风险。文件FR 2 800 297研究了关于湿气进入方面，，其当循环改善时日益影响到少量筛。MattBabicki的从互联网址chemicalprocessing.com获得的文章“PSAtechnology hits the fast lane；Fast-cycle technology promises to reduce thesize and costs of PSA gas-separation equipment”研究了包含接触器且具有快速循环的H2PSA。该文章的章节“Not Perfect”还解释了涉及的少量吸附剂赋予PSA更容易被液体(水、烃)污染并推荐了在PSA上游的液体/气体分离器的谨慎设计以防止任何夹带和因此任何污染。用于接触器中的改善材料(未公开的材料)也可防止该污染。
湿气进入的抑制当然有助于保持随时间过去的效力，条件是使用水敏性吸附剂。溶液是常规的且增强水密性、干阻隔气体的使用、可控外部逃逸以防止任何水进入系统中。在装置关闭的情况下，还提供装置的轻微加压，其具有任选最小泄漏、具有相同目的和任选防止杂质从接触器的入口向出口迁移。
证明这些预防法一般是不充分的且不管是否使用它们，系统的效力在某些情况下快速下降。
在常规装置，即不包含平行通道接触器且显示出一般大于30秒的阶段时间的装置中，标准实践是通过最小值和最大值限制阶段的持续时间并作为操作条件，特别是流速的函数计算未完成阶段的持续时间。在有问题的情况下，可插入大量管理和/或安全装置以改正故障或赋予装置安全。响应时间为秒的数量级，即阶段时间的数个百分点。这可在这一事实中反映：例如比设计中提供的多3%的气体进入，也就是说多3%杂质。
相反，在提及数秒，事实上甚至分数秒的具有平行通道接触器的PSA装置的情况下，对循环最轻微的扰动会导致引入多数十个百分点的真正杂质，甚至数倍于正常量。
起始于难以用标准工业控制装置避免的这种情况，可发现装置性能水平方面完全不同的开发。在数个循环生产的暂时性污染以后，一些装置可恢复其初始性能水平，而其它不会恢复这些初始性能水平。
显然吸附剂相对于杂质的顺序在解释该效果中起主要作用。具体而言，PSA循环的最佳化产生如下体系：杂质对应至少一种吸附剂。在上述类型的事件期间，在常规PSA中，杂质不会离开它的吸附区或在最坏的情况下会溢流到下一区域上。在包含平行通道接触器的PSA的情况下，杂质至少吸附于下层中且非常可能吸附于数层下层中。
起始于这一点，提出的问题是提供使用包含至少一个平行通道接触器的PSA提纯气流的方法，其中保持其初始性能的完整性。
为此，本发明的主题是使用至少一个包含至少一个平行通道接触器的主吸附器(17-2)通过变压吸附(PSA)提纯包含至少一种第一化合物、至少一种第二化合物和第三化合物的气流的方法，其中第一化合物选自由水、氨、芳族化合物、包含至少5个碳原子的链烷烃、链烯烃或炔烃类烃、醛、酮、卤代烃、硫化氢和氯化氢形成的第一组化合物，第二化合物和第三化合物选自由氦气、氢气、氮气、氧气、氩气、一氧化碳、二氧化碳和C1-C5烃形成的第二组化合物，所述方法的特征在于：
-第一化合物至少部分地被置于所述主吸附器(17-2)上游的TSA装置(17-1)停止，和
-主吸附器遵循压力循环，所述压力循环包括具有小于15秒的持续时间的吸附阶段和将残余气体从主吸附器中取出的再生阶段。
优选将至少一部分残余气体压缩用于随后的使用。
应当指出如果残余气体富含CO2，则它的压缩要求它为干的以防止腐蚀问题。置于上游的TSA使得可解决该问题。
使得可执行本发明提纯方法的装置图示于图15中。在图16-18中，主吸附器还以参考数字16-2、17-2和18-2表示。
图1-7非穷举地图示各类平行通道接触器。这是因为接触器可包含各种形式和各种尺寸的通道。以下则为卓越的：
-矩形通道，其具有厚度th，这相对于它们的宽度而言是w低的，即w大于10th(图1)；
-基本正方形或矩形通道，但具有与宽度w相同数量级的th(图2)；
-中间形状的通道，其具有相对于小尺寸(椭圆形、矩形等)，比为1.5-10的大尺寸；
-以圆环配置的通道(图3)；
-以螺旋的形式配置的通道(图4)；
-圆形通道(图5)。
流体也可移动通过圆筒或纤维形式表示的固体壁留下的自由空间(图6)。固体壁还可具有如蒸馏中所用的“填充”构型(图7)，在后一种情况下，可通过改变弯曲角、通道相对于垂线的方向(假定为垂直的接触器)、通道的尺寸等可以使用所有可能的几何结构的所述填充。
大量构型是可能的，因为通道的几何结构是可变的(三角形、梯形、椭圆形等)。一般而言，在能用于本发明上下文中的所有这些类接触器中，流体，优选为气流，移动通过显示出很少(或无)对流动的障碍的通道，且吸附剂位于-或构成-所述通道的壁。
例如，文件EP 1 413 348、EP 1 121 981和WO 2005/094987描述了平行通道接触器。
一般而言，一旦压降的降低效果变得占优势并使得可补偿涉及新一类吸附器吸附的可能额外成本，则平行通道接触器对于常规颗粒溶液床就是优选的。
接触器本身以及更特别地载体/壁组件根据可例如根据吸附剂结合到壁中的方式而分类的各种技术生产。
在“整体”情况下，吸附剂(任选与粘合剂混合)直接构成通道的壁(图8)。
在“负载型”吸附剂的更通常情况下，吸附剂(110)固定在载体(111)如金属片上。在壁上的附着可如图9所述借助吸附剂的粘合剂(其作用然后是两倍：吸附剂的微粒相互聚结并固定在壁上)，或借助特殊粘着剂(120)(图10)产生。一般已将载体处理以促进附着；它在性质上可以为多孔的(膜、织物等)。可使用大量材料如聚合物、陶瓷、金属、纸等。
吸附剂的载体可以折叠(在吸附剂层沉积以前或以后)且该折叠片本身可以卷绕在中心轴上。文件US 5 771 707的图3显示这种配置。在基本三角形的折叠的情况下，三角形的高和它的底边一般为0.5-5mm。
也可限制吸附剂。还发现两个副族用于该技术：“限制”可以为均匀的，即吸附剂的颗粒(130)通过占据整个壁体积的细且致密的纤维网络(131)而固定(图11)。可加入粘着剂以增强固定。将吸附剂颗粒限于纤维网络中已用于防毒面罩的制造中。然而，应当指出在后一种情况下，吸入的空气经过吸附剂介质，而在此处正视的情况下气流沿着包含吸附剂的壁运行。
根据另一实施方案，吸附剂颗粒(140)保持在对流体而言是多孔的两个壁(141、142)之间(图12)。在这种情况下，也加入粘合剂和/或粘着剂以改善如果需要的话颗粒在多孔壁之间的保持。
这些壁可以为金属或聚合物类等。选择它们以便能同时包含吸附剂颗粒并不会产生对分子扩散的明显阻力。
例如，文件US 7 300 905和US 5 120 694给出这些技术的非穷举性描述。
图13显示基础单元，即使得可描述平行通道接触器几何结构的最小元件。
从左至右，发现总厚度为2thg的气流移动通过的通道(20)、具有thm厚度的保持吸附剂(21)的多孔膜、具有厚度thads的吸附剂(22)层、具有厚度tha的粘合层(23)和总厚度为2ths的载体片(24)。基础单元因此具有尺寸thg+thm+thads+tha+ths。这些厚度的数量级例如为：
·对于通道50μm-3mm，我们说2thg＝150μm
·对于多孔膜10-100μm，如果它存在的话，我们说25μm
·对于吸附剂层20μm-3mm，我们说50μm
·对于粘合层5-500μm，如果它存在的话，我们说10μm
·对于载体片5μm-1mm，如果它存在的话，我们说2ths=100μm
基础单元因此在实施例中可具有210μm(75+25+50+10+50)的厚度。
这些层各自通过一系列物理性能表征：
-载体片通过它的密度、它的热容、它的热导率以及可能它的孔隙率表征；
-同样粘合层通过它的密度、它的热容、它的热导率以及可能它的孔隙率表征；
-吸附剂层通过它的总孔隙度、大孔的平均大小、吸附剂颗粒的密度、可能它们的大小和它们的内孔隙率、它的热容、它的热导率及连接吸附剂和气流中存在的分子的吸附和共吸附等温线表征；
-膜通过它的总孔隙率、主孔径、热容、密度、热导率和流体壁侧上的粗糙度表征。
图14显示包含平行通道接触器的吸附器的实例。圆柱形接触器(1)在金属外壳(2)内，该金属外壳包含具有用于气流通过的开口的底端和顶端。接触器在外壳(4)的底端。上部和下部的扩散器(3)有利于进入和离开气流的令人满意的分配。为防止气流在该处优先通过，外壳(4)内壁的气密性通过预先在外壳的壁上滚动的简单接触器压力实现。如果需要的话，该气密性可通过任一种已知方法(垫圈、焊接、粘结等)改善。
为概括，平行通道接触器应当理解意指其中流体通过通道的装置，其壁包含吸附剂。流体移动通过基本无障碍的通道，这些通道容许流体从接触器的入口移动至出口。这些通道可以为直线的，其直接连接接触器的入口至出口，或可显示出方向的变化。在它的移动期间，流体与存在于所述壁上的至少一种吸附剂接触。
视情况而定，本发明吸附器可包含一个或多个以下特征：
-富含第二化合物且贫含第三化合物的料流在主吸附器的出口处被回收；
-主吸附器遵循压力循环，其吸附时间小于30秒，优选为2-15秒；在这种情况下参考快PSA；
-主吸附器遵循压力循环，所述压力循环包括具有小于15秒的持续时间的吸附阶段和将残余气体从主吸附器中取出的再生阶段，且可变部分的所述残余气体在主吸附器的进料侧再循环。在这种情况下参考超快PSA。这是因为借助再循环，吸附阶段的持续时间可以充分短于得到这类装置可实现的最大效力需要的持续时间。吸附时间一般为0.1-5秒；
-第一化合物至少部分地被置于所述主吸附器上游的吸附装置(17-1)或渗透膜(16-1)停止(图16和17)；
-吸附装置(17-1)选自可再生装料保护床、TSA装置、显示出大于15秒的吸附时间的PSA装置，或包含平行通道接触器的PSA装置(18-1)，其与保护床(18-3)组合(图17和18)；
-吸附装置再生或将渗透膜用由主吸附器产生的料流(17-3或16-3)或用主吸附器外部的料流洗提；
-主吸附器包含至少两个串联配置的平行通道接触器。串联配置的平行通道接触器的使用使得可处理大量流体，特别是数百或数千Nm3/h的气流，和/或可得到具有非常高纯度(例如99.9%)的产物；
-第二化合物为氢气或CO2；
-第二化合物为氢气，第三化合物选自二氧化碳、甲烷、一氧化碳和氮气，富含氢气且贫含第三化合物的料流在主吸收器的出口处被回收。
能用于平行通道接触器中的吸附剂为用于气流分离或提纯的常规装置中所用的那些。该选择取决于应用。在一个或同一接触器中可接连使用几种不同的吸附剂。可提到硅胶、任选掺杂的活性氧化铝、活性炭、各类沸石(3A、4A、5A、任选交换的X、LSX、Y型等，等的)或金属有机骨架吸附剂(MOF等)。沸石根据合成方法一般以微晶，事实上甚至以纳米晶体的形式使用。可将其它吸附剂如活性炭碾碎以得到具有大约微米尺寸的颗粒。
然而，用于限制中间(mean)吸附器初始性能下降问题的其它方法是选择对于存在的组分不具有过高亲合力的吸附器。具体而言，如果在通常必须停止所述杂质的地方以上的层的吸附剂显示出对该杂质的过高亲合力，PSA不能通过简单的压力影响而再生。
在CO2PSA中可例如使用硅胶、活性氧化铝和/或碳代替分子筛13X。至多性能损失数个百分点但无分子筛溶液会强得多。可使用具有活性炭或硅胶/活性炭作为吸附剂的H2PSA代替高专业化多层。
图19特别阐述在吸附器中串联的三个接触器的配置。三个接触器(10)、(11)和(12)重叠于同一外壳(4)中，所述外壳包含装配有气流的入口/出口的底端和顶端。折流板或扩散器(15)使得可在下部和上部中良好地分配气流。中间分配器(16)使得可回收离开一个接触器的料流并将它们均匀地再分配在下面的接触器中。这些分配器(16)可以为形成两个接触器之间的过渡并操作以便不阻断分配给流体的通道的特殊设备件。它特别可以为格子、金属网、蜘蛛状物以及更一般地为不阻碍流体流动的间隔物。此外，可调整至少一个接触器的末端以促进接触器之间的流体流动。该调整可以在于拓宽例如支架的最后厘米数，以产生用于流体的大通过区，该流体可因此更容易地再分配到第二接触器中。其它溶液可在于将各接触器与外壳的壁分离，例如留下接触器之间的间隙(自由空间)。
三个接触器可以为相同的，或相反，可使用本发明设计至少一个接触器并使它适应存在于该吸附器水平处的操作条件。关于该改进，可涉及另一类吸附剂、对吸附剂层厚度、通道横截面的改进等。

Claims (5)

1.使用至少一个包含至少一个平行通道接触器的主吸附器(17-2)通过变压吸附(PSA)提纯包含第一化合物、第二化合物和第三化合物的气流的方法，所述第一化合物为水，所述第二化合物为氢气，所述第三化合物为二氧化碳，所述方法的特征在于：
-第一化合物至少部分地被置于所述主吸附器(17-2)上游的TSA单元(17-1)停止，和
-主吸附器遵循压力循环，所述压力循环包括具有小于15秒的持续时间的吸附阶段和将富含CO2的残余气体从主吸附器中取出的再生阶段，并将至少一部分残余气体压缩。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于富含第二化合物且贫含第三化合物的料流在主吸附器的出口处被回收。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于主吸附器遵循压力循环，其吸附时间为2-15秒。
4.根据权利要求1或2的方法，其特征在于主吸附器遵循压力循环，所述压力循环包括具有小于5秒的持续时间的吸附阶段和将残余气体从主吸附器中取出的再生阶段，且将可变部分的所述残余气体在主吸附器的进料侧再循环。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于主吸附器包含至少两个串联配置的平行通道接触器。
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